化工仪表及其自动化控制第一章 自动控制系统基本概念

1、2020年6月25日，化学仪器与自动化课件，2020年6月25日，尤，2020年6月25日，化学仪器与自动化控制课件，2020年6月25日，化学仪器与自动化控制课件，2020年，在化工等连续生产设备中，一些自动化设备的配备取代了部分操作人员的直接劳动，使生产可以在不同程度上自动进行，这就是所谓的化学自动化。化学自动化的目的是加速生产，降低生产成本，提高产品的数量和质量。降低劳动强度，提高劳动成本。学习本课程对保障安全生产的意义在于：扩大知识面，适应生产现代化的需要；扩大就业渠道。首先是战无不胜，然后才能取胜！2020年6月25日，化学仪器与自动化控制课件，化学自动化发展史，基础气动单元仪表，基

2、础电气单元仪表，隔膜仪表，20世纪50年代至60年代，为化学单元操作的发展提供技术支持。1970年s1980 s机组组合型仪表：QDZ ，DDZ 1990年代机组组合型仪表：QDZ ，DDZ ，2020年6月25日，化工仪表及自动化控制课件，本课程的主要内容，基本概念控制系统控制对象仪表测量显示调整执行调整系统(简单系统，复杂系统)计算机控制系统(系统组成，接口和转换)，2020年6月25日，化工仪表及自动化控制课件，主要书目， 化学仪器与自动化(第四版)编辑，化学工业出版社，化学工业出版社，化学过程控制工程(第二版)编辑，化学工业出版社，基础化学工业出版社，2020年6月25日，化学仪器及其

3、自动化控制课件，第一章自动控制系统的基本概念。 化学自动化的主要内容自动调节系统的组成和框图自动调节的分类过度过程和系统质量指标过程管道和控制流程图，2020年6月25日，化学仪器及其自动化控制课件，第一节化学自动化的主要内容，自动检测系统使用各种检测仪器测量、指示和记录主要过程参数。 自动信号和联锁保护系统是生产过程中的安全装置。自动操作和自动启动/停止系统可以根据预先指定的步骤自动对生产设备执行一些周期性操作。生产过程可以按照预先规定的步骤自动投入运行，或者当一些关键控制参数由于外界干扰的影响而偏离正常状态时，自动专用车自动控制系统可以自动控制这些关键控制参数返回到规定的数值范围。2020

4、/6/25，化学仪器及其自动化控制课件，第二节自动调节系统的组成，2020/6/25，化学仪器及其自动化控制课件，控制系统的四个基本环节：被控对象、检测仪器(测量传输环节)、控制器、执行器和执行器(2)被控变量对象中需要保持一定值(或按照一定规则变化)的物理量称为被控变量。(3)受控变量(操纵变量)由致动器控制，用于将受控变量保持在某一值的材料或能量称为受控变量或操纵变量。(4)干扰(扰动)除控制变量(操纵变量)外，所有作用于对象并引起被控变量变化的因素都称为干扰。(5)设定(给出)一个固定值的过程规定了由受控变量保持的值。(6)偏差应该是设定值和受控变量实际值之间的差值。然而，可以获得的信息

5、是受控变量的测量值，而不是实际值。因此，设定值和测量值之间的差值通常被定义为控制系统中的偏差。，2020/6/25，化学仪器及其自动化控制课件，自动控制系统框图，2020/6/25，反馈是一个过程，其中控制系统的输出(即受控变量)通过测量返回到控制系统的输入，并与设定值进行比较。负反馈：减少系统输出的反馈类型；正反馈：增加系统输出的反馈类型；工业控制系统一般应该是负反馈。2020/6/25，化学仪器及其自动化控制课件，闭环和开环，将闭环系统的输出反馈给输入并与设定值进行比较的系统称为闭环系统，此时系统根据设定值和测量值之间的偏差进行控制，直到偏差消除。开环系统的输出不反馈给输入，致动器仅根据输

6、入信号控制，这称为开环系统。此时，系统的输出与设定值和测量值之间的偏差无关。要实现自动控制，系统必须是闭环的。闭环控制系统稳定运行的必要条件是负反馈。2020年6月25日，化学仪器与自动化控制课件，第三节自动控制系统的分类，(1)根据设定值的特性进行区分(即根据过程中被控变量的数值是否发生变化对控制系统进行分类):(1)定值控制系统：设定值是过程要求给定的常数，通常要求被控变量尽可能与设定值一致。2.随动控制系统：设定值随时间不断变化(自动跟踪系统)，通常要求被控变量尽可能随设定值变化。3.程序控制系统：可以理解，伺服控制设定点是一个已知的时间函数(顺序控制系统)，即生产技术指标根据一定的时间

7、程序而变化，2020/6/25，化学仪器及其自动化控制课件，(2)根据干扰补偿方法，反馈，干扰F (t)控制变量调节器操作变量补偿干扰，前馈，干扰f (t)变送器补偿器操作变量补偿干扰，前馈反馈，2020年6月25日， 化学仪器及其自动化控制课件，(3)根据控制系统的复杂性，简单控制系统复杂控制系统，(4)根据控制变量的名称，温度控制系统压力控制系统，(5)根据调节规律，P、PI、PD、(6)根据被控变量对操作变量的影响，分为闭环控制系统，如：反馈控制开环控制系统，如：前馈控制，2020年6月25日，化工仪表及其自动化控制课件，第四节过渡过程和质量指标，一、控制系统的静态(稳态)和动态。 控制

8、系统的作用：尽可能使被控变量与设定值保持一致(或遵循因为没有严格的干扰变化规律(否则不能称之为干扰)，系统中的相关参数也随时间变化。 静态：受控变量不随时间变化的平衡状态(变化率为0，非静态)。如果控制系统是稳定的，假设设定值和扰动保持不变，经过足够长的时间后，控制系统中的参数将不可避免地达到“相对”平衡状态，这在控制领域中称为“静态”，更称为“稳态”。在工业对象的设计过程中，需要从物质平衡、能量平衡、传热、传质、化学反应速度和平衡等方面进行大量的计算。这些计算结果是设计的基础，这部分属于系统“静态”特性的范畴。理论上，这些计算结果可以保证系统在平衡状态下运行(物质平衡、能量平衡等)。)。假设

9、在设计的蒸发系统中，由于电磁干扰，蒸汽压力突然变化或某个测量信号发生变化，系统如何克服这些干扰，仅仅使用“静态”的概念并不能很好地解决这些困难。2020/6/25，化学仪器与自动化控制课件，D如果系统处于相对平衡状态(静态)，当扰动改变被控变量时，控制系统生效。调节器根据偏差及其变化改变调节器的输出，然后通过致动器改变操纵变量，使受控变量返回到设定值。这种从扰动发生、系统控制到重新建立平衡的过程称为“动态”。过程设计主要关注系统的“静态”特性，自动控制基于“静态”特性研究其“动态”特性如何使系统在失去平衡后回到平衡状态。如何评价自动控制系统的质量？有必要分析“系统失稳后能否恢复平衡”和“从失稳

10、到恢复平衡”过程中的各项指标。2020年6月25日，化学仪器及其自动化控制课件，过渡过程：系统在受到干扰后失去稳定性，被控变量在控制系统的作用下回到新的平衡状态的过程。在分析和设计控制系统时，通常选择阶跃信号作为输入。阶跃干扰：在某一时刻，t0干扰以逐步的方式突然进入系统，并保持在这个幅度。阶跃干扰具有突发性、危险性，对控制系统影响最大，在设计过程中容易产生阶跃干扰。对于一个控制系统来说，如果它能有效地克服阶跃干扰，它就一定能克服各种轻微变化的干扰。几个典型的过渡过程：2。控制系统的过渡过程，2020年6月25日，化学仪器及其自动化控制课件，几个典型的过渡过程：,X，X，一般不允许划分开关值控

11、制回路，2020/6/25，化学仪器及其自动化控制课件，通常用来评价和讨论一个控制系统的性能，其标准分为两类：以响应曲线的形式给出系统经过阶跃输入后的情况。它主要包括：最大偏差(过冲)、振荡周期(振荡频率)的衰减比剩余跃迁时间.以误差性能指数的形式给出，它一般指对某一函数的偏差积分。它主要包括：平方误差积分指数时间乘以平方误差积分指数绝对误差积分指数时间乘以绝对误差积分指数。当这些值达到最小值时，系统在某种意义上是最优系统。3.控制系统控制指标，2020年6月25日，化学仪器及其自动化控制课件，质量指标以阶跃响应曲线的形式表示(与初始值有关，这里只分析变化量)，分为两种情况：阶跃干扰下的过渡过

12、程(固定设定值，加阶跃干扰)定值系统，阶跃给定作用下的过渡过程(设定值)2020/6/25，化学仪器及其自动化控制课件。 阶跃干扰下的过渡过程定值系统(定值加阶跃干扰)，最大偏差emax:衰减比n:剩余误差e():过渡时间tp:振荡周期：2020/6/25，化学仪器及其自动化，衰减率？剩下的区别呢？转变时间？振荡周期？n=1，恒幅振荡，n 1，衰减振荡和无振荡，为了保持足够的稳定性，衰减比一般取为41至101；这种过渡过程不是最佳结果，但是操作者很容易掌握，并且通常期望该过程不会振荡：这对于操作者来说不方便掌握。越小越好，越小越好，越小越好，越好，越好，越好，化学仪器及其自动化控制课件，202

13、0/6/25，固定因素：物体特性测量仪器特性执行器特性补偿因素：控制器特性，这是自动控制的主要研究内容。第四，影响控制指标的主要内容，2020/6尽量找出最大偏差、残差、衰减比、振荡周期和过渡时间(给定值为200)。1.最大偏差：a=230-200=30 2，剩余c=205-200=5 3，第一个峰值b=230-205=25，第二个峰值b=210-205=5衰减比n=。4.振荡周期是同一方向上两个峰值之间的时间间隔，因此周期t=20-5=15(分钟)。5.转换时间与受控变量的规定极限范围相关。假设被控变量进入额定值的2%，可以认为过渡过程已经结束，因此极限范围为200 (2%)=4。这时，新的

14、稳态值(205)。因此，从图中可以看出，转变时间为22分钟。2020/6/25，“化学仪器及其自动化控制课件”，第5节“工艺管道和仪器流程图”(PID)，2020/6/25，“化学仪器及其自动化控制课件”，(1)图形符号通常是从工艺设备轮廓线或工艺管道到仪器圆的连接线的起点，必要时也可以用象形图或图形符号表示，(2)一般仪器信号线用细实线表示。(3)图形符号仪表符号是一个直径约10毫米的细实线圆圈，安装在本地，嵌入管道中，集中在仪表板上，安装在集中仪表板后面，安装在本地仪表板后面。在同一个检测点有两个或多个测量值，可以用两个或多个切圆表示。注意管线和仪表流程图的图形符号与标准不完全一致。国内外、不同设计单位甚至不同设计师在某些方面有不同的标记习惯。一般来说，PID图将带有图例。例如，在国内设计院，组合仪表很少以多圈相切的形式表示，而在国外则较为常见。2020/6/